興隆臺古潛山面元素錄井識別方法研究及應用

沈柏坪 王 琦 田士偉 楊志博 段志勇 徐守輝

(①中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司；②中國石油長城鉆探工程有限公司蘇里格氣田分公司)

0 引 言

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，古潛山油藏已經(jīng)成為遼河油田勘探開發(fā)的重點目標之一[1]。古潛山的勘探、開發(fā)已經(jīng)成為遼河油田增產、上儲的主要增長點。其中，興隆臺古潛山油藏是遼河油田發(fā)現(xiàn)最早、最有潛力的古潛山油藏[2]。興隆臺古潛山屬于復合潛山，具有雙層結構，由太古界結晶基底與中生界沉積巖、火山巖構成[3]。受地質構造和沉積影響，中生界底部的角礫巖主要來源于太古界潛山，其巖性特征與潛山巖性幾乎一致，常規(guī)錄井對興隆臺古潛山面的卡取存在困難。傳統(tǒng)現(xiàn)場錄井主要依據(jù)巖屑，并結合鉆進時的工程參數(shù)判斷潛山地層，由于潛山不同部位遭受風化剝蝕的強度和程度不同，不同井其巖屑、工程參數(shù)特征并不一致，導致潛山面卡取的準確率偏低。在復雜井，甲方需要通過取心來落實巖性、判斷地層，延長了建井周期，增加了鉆進成本。為了解決這個難題，在興隆臺古潛山開展了元素錄井技術研究。研究初期，通過對元素數(shù)據(jù)和地質特征的歸納，總結了一套基于元素參數(shù)判別興隆臺古潛山面的方法[4]，但是隨著興隆臺古潛山勘探范圍的不斷擴大，原來的判別標準已經(jīng)不再適用于復雜的興隆臺古潛山。隨著對興隆臺古潛山地質特征的深入認識及元素數(shù)據(jù)的深度挖掘，建立了元素擬合電阻率曲線的方法、風化指數(shù)法，形成了擬合電阻率、風化指數(shù)二維參數(shù)識別潛山面的標準，并在興隆臺古潛山油藏開發(fā)中取得了較好的效果。

1 區(qū)域概況

1.1 興隆臺潛山帶構造特征

興隆臺古潛山帶位于遼河坳陷西部凹陷中段，西接盤山洼陷，東臨冷家斷階帶，南靠清水洼陷，北部為陳家洼陷，為典型的“洼中之隆”[5]。 在太古宙時期，興隆臺古潛山為遼河坳陷中央凸起的一部分，總體呈東西展布、南北洼隆相間格局。中生代早期，南北大斷裂活動使得該區(qū)相對隆起，形成潛山雛形。沙三時期為裂谷演化期，潛山與中央凸起斷裂加深并逐漸脫離，成為西部凹陷的一部分。喜山期，在近北東-南西向的拉張力作用下，形成了北西向斷層，控制了潛山展布。最終形成了受北東-南西向、近東西向斷裂控制，向北、向南傾伏，沿北東向呈條帶展布的背斜隆起潛山帶[6]。

1.2 興隆臺潛山帶地層特征

興隆臺潛山帶自下而上主要發(fā)育太古界，中生界，古近系東營組、沙河街組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組及新生界第四系平原組地層。

興隆臺古潛山太古宇地層主要由變質巖與巖漿巖組成，變質巖以區(qū)域變質巖與混合巖為主。

變質巖巖性主要分為兩類：一類是以淺色礦物為主的黑云母斜長片麻巖、混合花崗巖(花崗片麻巖)，該類巖石長英質礦物較多，脆性較高，在構造應力作用下，易產生裂縫，為優(yōu)勢儲集巖；另一類是以暗色礦物為主的角閃巖、斜長角閃巖，該類巖石韌性較強，不易產生裂縫，為非儲集巖。巖漿巖主要發(fā)育中酸性火山巖巖脈及基性煌斑巖巖脈，以層狀分布于潛山內部，這類裂縫不發(fā)育，往往為封隔層。

中生界巖石類型多樣，儲集空間類型豐富，主要儲集巖為砂礫巖、角礫巖和火山巖[7-9]。

2 元素錄井技術

對興隆臺潛山帶研究井的巖屑樣品進行X射線熒光光譜分析，獲取了其巖石化學組分數(shù)據(jù)。通過對獲取的巖石化學數(shù)據(jù)進行挖掘，擬合巖石骨架電阻率參數(shù)；根據(jù)太古宇潛山的風化特征，建立風化指數(shù)和特征元素比值參數(shù)，進而形成了一套三維參數(shù)識別潛山面的方法。

2.1 擬合巖石骨架電阻率參數(shù)

興隆臺古潛山巖石致密，導電性差，電阻率高，主要巖性為混合花崗巖、片麻巖、斜長片麻巖、花崗巖，而中生界角礫巖及上部沉積巖，由于孔隙發(fā)育，其導電性好，電阻率低。因此，通過電性特征可以識別潛山。太古宇潛山變質巖與中生界沉積巖，均由石英、長石、角閃石、黏土等礦物組成，主要差別是礦物的含量不同。不同礦物其電阻率不同，由不同礦物含量組成的巖石，其巖石骨架電阻率也必然不同(表1)。長英質淺色礦物主要由Na、K、Ca、Al、Si等元素組成，其電阻率較高；暗色礦物主要由Al、Si、Fe、Mg、Cr、Ti等元素組成，其電阻率較低。

表1 常溫下常見礦物的電阻率

對興隆臺潛山帶研究井潛山上覆角礫巖和潛山混合變質巖的元素特征進行統(tǒng)計，利用ReliefF算法，根據(jù)各個特征和類別的相關性賦予特征不同的權重，權值越大表示該特征對樣本的區(qū)分能力越強。通過設置閾值可以選擇新的特征子集，提取敏感參數(shù)。選出相關性好的元素作為主要考量元素，相關性一般的元素作為次要元素。該研究區(qū)與巖性高度相關的元素為Na2O、∑Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、CaO、K2O，最終得出擬合巖石骨架電阻率參數(shù)(圖1)。

圖1 巖性權重元素分布

擬合巖石骨架電阻率=a1WNa2O+a2W∑Fe2O3+a3WAl2O3+a4WSiO2+a5WMgO+a6WTiO2+a7WCaO+a8WK2O+常數(shù)

式中：a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8為系數(shù)；W為巖石化學成分百分含量(重量百分比)，%。

通過與測井深淺側向電阻率對比，擬合巖石骨架電阻率曲線變化趨勢與測井電阻率一致，在進入潛山面時，擬合電阻率值大幅增大，變化比較明顯。在X 2井中，通過擬合電阻率曲線可以看出(圖2)，井深4 306.00 m起電阻率值明顯升高，判定進入潛山。由于潛山頂部風化強度不同，其巖石成分較復雜，只通過擬合電阻率曲線難以有效判別。因此，引入了風化指數(shù)參數(shù)。

圖2 X 2井擬合電阻率曲線變化

2.2 風化指數(shù)和特征元素比值

興隆臺太古宇潛山在地質歷史時期長期暴露地表，經(jīng)過長期的風化淋濾作用，形成了較厚的風化殼。在不同的構造部分，由于遭受的風化強度不同，其形成的風化殼厚度也有所不同。為了衡量風化強度，引入風化指數(shù)用于表征巖石風化程度，一般情況下為巖石中相對穩(wěn)定的礦物或元素含量與易流失的礦物或元素含量的比值。通過風化指數(shù)，可以了解潛山中的相對位置，卡取潛山面。

在母巖的風化過程中，巖石中的礦物抗風化能力存在較大差異性，與之相應地發(fā)生元素的遷移與富集。活性元素如Na、K、Mg 、Ca等容易受流體的遷移而流失，惰性元素如Si、Al、Fe、Mn、Ti等由于活性較弱容易殘留在風化殼中，形成元素的相對富集。為了表征風化作用的強度，國內外學者根據(jù)巖石中元素的流失和遷移特性，提出了不同的風化指數(shù)計算公式，如：Vogt根據(jù)富集元素與活性元素的關系在1927年提出了威格特殘積指數(shù)V；Parker根據(jù)活性元素的遷移情況在1970年提出了風化指數(shù)IWP；Ruxton根據(jù)硅鋁比在1986年提出了風化指標R；Harnois在1988年提出了化學風化指數(shù)ICW；Fedo通過研究斜長石的蝕變規(guī)律在1995年提出了斜長石蝕變系數(shù)IPA。前人基于活性元素與惰性元素的關系，根據(jù)(Na+K+Ca)/Al來計算風化指數(shù)。

在興隆臺古潛山帶，太古宇潛山主要巖性為混合花崗巖和花崗片麻巖，其礦物組成以長石為主，石英次之，云母含量最少。長石分為鉀長石和斜長石，其化學成分分別為K[AlSi3O8]和(Na,Ca)[AlSi3O8]；石英化學成分為SiO2；黑云母化學成分為K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH)2。在風化淋濾階段，長石、云母抗風化能力較弱，容易發(fā)生蝕變，長石主要蝕變?yōu)楦邘X石，其化學式為Al4Si4O10(OH)8，這一過程中Na、K元素發(fā)生遷移，而Al元素發(fā)生富集；黑云母蝕變?yōu)榫G泥石，其化學式為(Mg,Fe)5Al[AlSi3O10](OH)8，這一過程中，K元素發(fā)生流失；石英抗風化能力較強，一般原地富集。根據(jù)礦物的蝕變機理和興隆臺古潛山的地質特征，提出了該地區(qū)的風化指數(shù)IW以及Al/Na、Al/K，并劃分了風化帶的識別范圍，IW越大， Al/Na和Al/K值越小，則風化程度越低；Iw越小， Al/Na和Al/K值越大，則風化程度越高(表2)。

IW=f(Na2O、MgO、K2O、CaO、Al2O3)

在實鉆過程中，通過風化指數(shù)IW以及Al/Na、Al/K比值可以較好地識別潛山。在潛山上覆角礫巖地層，風化指數(shù)IW與Al/Na的交會曲線中，IW為低值，而Al/Na、Al/K為高值；進入潛山后，IW為高值，而Al/Na、Al/K相對降低。

表2 巖石風化指數(shù)計算公式及界限值

例如X 9井中(圖3)，根據(jù)IW、Al/Na、Al/K參數(shù)識別，井深4 048.00 m起IW值升高，而Al/Na、Al/K降低，判定進入潛山。

圖3 X 9井風化指數(shù)錄井圖

2.3 潛山面卡取標準

由于興隆臺古潛山帶上覆中生代角礫巖化學成分與下伏潛山幾乎一致，加之風化作用導致潛山風化殼的存在，使得潛山面的卡取十分困難。對此，只通過擬合電阻率曲線或者風化指數(shù)，都難以卡準潛山面。通過對興隆臺古潛山17口井擬合電阻率曲線與風化指數(shù)的總結分析，形成一套適用于興隆臺古潛山面卡取的標準(表3)。

表3 興隆臺古潛山判別標準

3 應用效果

通過對研究區(qū)目標井進行擬合電阻率、風化指數(shù)參數(shù)法的計算、分析所建立的潛山面綜合判別標準在生產中得到了很好的運用。在興隆臺古潛山帶應用的16口井中，除一口井(X 4井)誤差較大(比測井深12 m)外，其余都在誤差范圍(3 m)之內，潛山面卡取的準確率高達93.75%(表4)。

表4 元素識別潛山面與測井識別潛山面對比

在X 6井隨鉆施工過程中，在井深4 172 m，擬合電阻率曲線突然抬升；Al/Na值逐漸減小，IW值逐漸升高，并出現(xiàn)交會；Al/K值逐漸減小。判斷進入潛山地層，根據(jù)測井曲線定潛山面為4 170.2 m，元素識別潛山面井深比測井深1.8 m(圖4)。

圖4 X 6井元素錄井圖

4 結 論

通過對興隆臺潛山帶區(qū)域元素數(shù)據(jù)的分析、研究，總結了興隆臺古潛山的元素規(guī)律，得出以下結論：

(1)利用元素數(shù)據(jù)進行潛山面的識別是可行的。通過元素數(shù)據(jù)，采用線性相關法擬合巖石骨架電阻率曲線，可以識別興隆臺古潛山面。

(2)根據(jù)興隆臺古潛山的巖性特征、礦物的風化剝蝕規(guī)律，提出了風化指數(shù)IW以及Al/Na、Al/K，通過這三個風化指數(shù)參數(shù)，也可以識別興隆臺古潛山面。

(3)由于潛山面遭受長期的風化淋濾作用，潛山面電性特征及化學特征十分復雜，根據(jù)單一參數(shù)識別潛山面，準確率不高。為此建立了電阻率、風化指數(shù)、Al/Na和Al/K綜合判別標準。潛山帶的擬合電阻率大幅升高，一般大于500 Ω·m。風化指數(shù)IW與Al/Na的交會曲線中，IW為高值，Al/Na、Al/K為低值，IW與Al/Na發(fā)生交會。

(4)基于元素的潛山面綜合判別法在興古潛山取得較好效果，潛山面卡取的準確率達93.75%，為遼河油田興隆臺古潛山界面的準確卡取提供了技術保障。